本文主要研究基于特征模理论的超宽带天线性能极限估计与小型化方法,实现高性能天线单元和阵列的优化设计。本文采用等效场源表面积分方程描述天线的外部特性,利用矩量法离散积分方程得到矩阵方程,考察天线的远场辐射能量、近场储能与Q值、增益的关系,将天线的性能指标要求归结为带有限制条件的最优化问题,进而转化为矩阵广义特征值问题的求解。利用数值方法得到等效场源的基本模式和相应的Q值,从而得到任意形状限制下天线的最大增益和最小Q值极限。该方法还能考虑环境的影响,例如有限大金属平面对天线性能极限的影响,为小型化超宽带天线的设计提供理论指导。本文将特征模理论应用于超宽带天线的分析和设计。利用特征模分析获得天线的主要特征模式和相应的频率响应,直观地得到结构与性能参数的关系。利用谐振模式的特征值趋于零这一特性得到局部加载的具体电抗参数,并利用分布式电抗加载调整模式的强度,优化频率响应。由于特征模分析能深入揭示宽带多模天线的机理,直接综合设计出天线加载电抗值,全波仿真的次数大大减小,设计效率明显提高。本文采用特征模分析考察宽缝天线的基本模式电流与缝隙结构的关系。利用电抗加载降低谐振频率,实现小型化；采用对称调谐枝节改变高频的行波电流分布,改善匹配。利用曲折的槽线在较小的空间内实现了多阻带结构,抑制特定频点附近的辐射对其它无线系统的干扰。由于槽线结构存在高次谐波,使得天线工作频带内出现寄生阻带。本文分析研究寄生阻带的机理,并采用贴片结构抑制高频寄生阻带。本文设计了单端微带线馈电的小型渐变槽线天线,采用多个短路条带抑制后向辐射,并利用渐变微带传输线和扇形分支实现宽带匹配,实现整个频带内的定向辐射特性。在此基础上进一步设计差分微带线馈电的定向辐射超宽带渐变槽线天线及相应的巴伦,实现差分微带线到槽线直至单端微带线的转换。差分结构天线的电流分布对称,不易受馈线的影响,方便与差分形式射频前端的互联。本文用矩量法获得阵列的阻抗矩阵,利用特征模分析得到阵列的模式方向图和模式激励,由模式的正交性综合出逼近理想方向图的端口激励电压。由于大规模阵列的传统全波分析引入大量未知数,计算极其耗时。本文采用特征模电流展开天线单元的表面电流分布。由于处于谐振状态的有效辐射模式较少,使得方程组的阶数大大降低。该方法可应用于超宽带天线阵的分析与优化,并能考虑单元互耦的影响。本文采用此方法对单脉冲天线阵的方向图和扫描角度进行了优化。